金融科技技術概覽(12)——共識機制之工作量證明介紹

文章發表： 2020/05/14

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鄭旭高

GoldWise Consulting Group／萬旭浤資訊科技負責人

一、背景

拜占庭是東羅馬帝國的首都，由於拜占庭羅馬國土幅員遼闊，每支軍隊間之駐地相隔甚遠，帝國軍隊調度與征伐須透過信使傳遞訊息。當發生戰爭時，要如何確保將軍們皆能配合所制定之行動計畫？如果將軍中有叛徒欲破壞行動計畫，要如何解決？

二、焦點檢視

為確保行動計畫能穩妥執行，降低少數幾個不忠誠的將軍對計畫造成的影響，於是產生了著名的「拜占庭將軍問題」。當不忠誠的將軍希望透過傳播不實軍情影響行動計劃時，忠誠的將軍們必須有一個預訂的方法或協議，使所有忠誠的將軍們能夠達成一致。也就是說，「拜占庭將軍問題」就是要使將軍們在一個有叛徒的環境中建立共行動計劃的共識。在分散式系統如區塊鏈帳本中，也和「拜占庭將軍問題」類似，有運行正常的帳本(類似忠誠的拜占庭將軍)，也有運行故障或有問題的帳本(類似不忠誠的將軍)。共識算法的目的，在於在正常的帳本中形成對資料數據的共識。

中心化系統或帳本相較於去中心化系統或帳本有更易於遭人竄改、更高的備援需求等特性。對於去中心化系統而言，要實現的是如何在不同帳本(節點)上，其數據能保持正確一致。假設現實世界因硬體錯誤、網絡阻塞或中斷、惡意攻擊等原因而產生異常行為，此時就產生「拜占庭容錯」(Byzantine Fault Tolerance,BFT)來解決此些異常行為。以比特幣為例，工作量證明(Proof of Work,POW)機制即在透過解數學題的方式在進行難度足夠之工作，來確認相應的交易內容。其中主要涉及的是工作量證明函數，如安全哈希算法SHA256(Secure Hash Algorithm)、區塊(結構包含時間戳、哈希值等)、難度值等。

比特幣進行POW的共識記帳過程，大致可歸納如下。首先由客戶端產生一筆新的交易，對全網絡進行廣播要求對交易進行記帳；其次當每一個記帳節點收到此請求(Request)，便會將收到之交易訊息放入區塊中；其三每個節點透過工作量證明在足夠的難度下進行嘗試，直到某個節點解出；其四，解出之節點即開始對全網廣播，當該交易先前並未存在過且屬有效，其他節點才會認同形成共識，最後當其他節點表示認同接受該區塊後，會在該區塊末尾製造新的區塊以延長該鏈條。在這樣的記帳過程中，客戶端要求紀錄的交易訊息被寫入了各個記帳節點的區塊鏈中，形成了一個分散式的一致性帳本。